人類文明發展至今，鋼鐵及其衍生材料是不可或缺的資源，這讓鋼鐵業不只是重工業，更是重要關鍵工業。然而，生產鋼鐵也會傷害環境，例如過程中會排放大量的溫室氣體，而導致環保問題。所幸隨著科技進步，降低煉鋼污染的曙光乍現，那就是導入「氫能」。儘管仍有很大的進步空間，卻是值得跨世代努力的方向。
煉鐵為什麼會排那麼多碳？
煉鋼如何進行？為什麼會導致污染？鐵是地球上相當豐富的元素，絕大部分鐵元素卻不是單獨存在，而是與氧結合，以氧化物的形式形成各種鐵礦石。國立成功大學材料科學及工程學系的林士剛教授解釋，煉鐵的本質就是將鐵礦主成分「氧化鐵」（Fe2O3）還原為「金屬鐵」（Fe）。
開採鐵礦獲得的鐵礦石要變成鐵，製程需要還原劑與熱量。現今絕大部份煉鋼廠，其煉鐵製程的主要反應裝置為高爐，所採用的還原劑與熱量，來自煤炭煉製所得之焦炭。在高爐內將鐵礦石和少量助熔劑等混合物加熱到攝氏 1500 度左右。在此高溫之下，氧化鐵中的氧元素會與煤炭所提供的碳元素結合形成二氧化碳（CO2）而被還原成金屬鐵，於爐頂也伴隨著排出二氧化碳氣體。金屬鐵則受熱溶解成鐵水，蓄積於於爐缸內。鐵水經由出鐵作業排出高爐後，再經過吹氧脫碳和去雜質處理，便能產生鋼液；鋼液冷卻成形後即可得到我們生活中常見到的鋼鐵產品。
顯而易見，用煤炭煉鐵，最大量的副產品為二氧化碳，這也是人類活動產生的主要溫室氣體。林士剛教授表示，煉製各種金屬其實都有排碳的問題，相比之下，以高爐煉鐵 1 公噸會排放約 2公噸二氧化碳，單位重量的碳排量其實不算高；可是，由於人類對鋼鐵的需求最大，使得全球煉鐵總產量很高，總碳排量也跟著非常龐大。
目前全球鋼鐵業一年約排放 30 億公噸碳，大概占所有碳排 9％。因此鋼鐵業是影響很大的高碳排產業，在全球減碳的趨勢中，受到高度關注。倘若可以減少鋼鐵業的碳排，效益將非常可觀。
煉鐵是主要的排碳源頭之一。
以氫代碳，解決煉鐵碳排問題
煉鐵時，有什麼材料可以替代煤炭呢？性質上講，氫氣是很好的還原劑。如果不用煤炭，改用氫氣來煉鐵，氧化鐵的氧轉移與氫結合，形成的副產品為水，可以避免二氧化碳帶來的環保問題。可惜目前為止「以氫代碳」仍是潛力大於實用，仍有許多實際工業應用的技術障礙需要克服。
如今絕大多數煉鐵產量都出自世界各地的少數鋼鐵廠。林士剛教授解釋，由於煉鐵是以碳還原氧化鐵的本質，煉鐵製程的碳排量占一貫作業煉鋼廠（以鐵礦為原料，產製鐵產品之鋼鐵工廠）之碳排近八成。為了達成全球 2050 年淨零排放目標，各國陸續設立的碳費與碳稅徵收，以及「碳邊境調整機制」（Carbon Border Adjustment Mechanism, CBAM）等手段，都促使鋼鐵業者改進技術，努力邁向低碳排的綠色鋼鐵製造。
這波工業轉型的過程中，所有鋼鐵廠都面臨成本提升的挑戰，相關產業也將受到廣泛的衝擊！但是擁有技術便能掌握先機，取得成本競爭優勢的國家，才能在這波浪潮中脫穎而出，兼顧經濟與環保考量。
升級智慧高爐，突破氫能煉鐵難題
林士剛教授的研究領域包括鋰離子電池陶瓷電極材料、超合金與高熵合金設計、鋼鐵冶金等等。前文提到煉鐵，而冶煉常常並稱；其實林教授解釋，「冶」和「煉」是材料工程的兩大面向。冶金與煉製皆為重要的材料科學議題，從石器時代、青銅時代、鐵器時代到現代，任何新材料的突破，都可謂人類文明的躍進。
「冶金」意指透過調整材料的成分與製程條件，達成獨特的晶體結構（相態，Phase）與微結構（例如奈米結構），進而產生希望應用的各種性質，如電性、磁性、光電性質、機械性質、生醫性質。近來討論不少的「高熵合金」，便是以冶金手段探索新材料性質的例子。涵蓋煉鐵在內的「煉製」，則意指由礦物（主要為氧化物）經由還原製程，產生金屬材料。
臺灣的整體碳排中，高爐煉鐵產生的二氧化碳占比達到 7.6％。為了具體實現以氫代碳，林士剛教授最近與團隊開發「富氫高爐」，這套智慧化高爐系統預計從 2025 年開始，可以降低臺灣上百萬噸的碳排。
高爐最基本的原理是，把鐵礦石和焦炭加入封閉空間，還原反應得到鐵水。但是高爐內部的高溫高壓，算是工業生產極為惡劣的環境，也可謂難以監控的黑盒子。以氫取代焦炭會面臨許多問題，像是高爐內熱失衡、使用氫基還原劑使得爐料適配性差，以及改變還原行為導致爐況不穩等障礙。
富氫高爐要如何克服這些考驗呢？它有兩項子技術，第一是「高爐熱力學計算軟體」，蒐集燃料率、鼓風成份、鼓風溫度等高爐監測數據，即時計算得知高爐各部位之熱力學平衡狀況，再將熱力學條件轉譯為真實操作條件。第二是「可視化還原動力學模型」，根據計算所得資訊，運用反應動力學模型，預測高爐內部複雜反應的狀況。簡單說，便是採取熱力學與動力學計算，即時監控，並且模擬高爐內部的化學反應，提示操作人員參考，更有效掌握高爐的運作。
減低碳排，能源轉型，是跨世代的任務。
鋼鐵業減碳是跨世代的長期任務
氫能本來就是極為重視實用的領域，氫能煉鐵更是必須與鋼鐵業緊密結合。臺灣的中國鋼鐵公司算是世界級的鋼鐵業者，2023 年與成功大學合作成立「負碳科技氫能冶金共研中心」，宣稱將藉由產學合作，研發技術培育人才，帶領臺灣升級鋼鐵產業，邁向高值化精緻鋼廠，以及發展綠能產業。
在中鋼約有 40 年工作經驗，退休後目前擔任顧問的劉世賢，親身見證鋼鐵業的演變。他表示鋼鐵冶煉技術開發方向，從早期的精實生產導向，陸續轉變為重視乾淨生產，資源化生產、綠色生產等不同階段，最新到 2050 年則是以低碳排生產為目標，使用氫能取代煤炭為一大關鍵。
林士剛教授指出，若是將碳排議題上升到國家碳排總量，問題性質便不僅限於單一企業，為了滿足碳邊境調整機制、碳費、碳稅或其他政策的成本與營運考量，更會涉及地緣政治，國與國之間的外交角力。
為了達到減碳目標，有些是共通的大方向，例如發展風能、光電等綠電技術，以及相關的人才需求。然而，各行各業在實務上的減排技術差異很大，如鋼鐵業、電子業、水泥業都大為不同；政府不應該一視同仁，必須考慮每項產業具體的不同需要，由主管單位和各領域領導廠商積極投入研發，聯合學術界有關專家合作，規劃長期藍圖。
林士剛教授強調，我們只有一個地球；減碳是跨世代的艱巨任務，需要不斷研發新的技術，以及培養下一代的人才，一代一代接棒下去。
資料來源：科技魅影
